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1、浅析高层建筑结构优化设计[摘要]总结近年来设计实践中碰到的问题，比较分析超高层建筑结构设计的特点，说明在超高层建筑中结构设计的重要性，根据建筑物高度、使用功能等阐明了结构优化的意义,以及优化的方法和优化的途径,为结构设计者进行结构优化设计提供参考。[关键词]高层建筑；优化设计;结构方案;节约造价;有人认为,优化结构设计只是抽钢筋的问题,其实不然。一栋建筑方案产生后,结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题,再加之后续的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。如果仅是抽钢筋的概念,优化是非常有限的,因为所有设计依据同样的条件,遵循
2、同一本规范,计算采用同样的软件,结果应该是一样的。随着建筑事业的发展,建筑结构设计水平也相应地不断提高,但是另一方面,由于技术原因而造成的质量低劣和浪费现象也时有发生,为此本文对近年来在工程实践中的体会和心得,主要是分析高层建筑的设计优化特点进行阐述,供参考讨论。1高层建筑结构受力特点对于低层建筑结构,通常以重力为代表的竖向荷载控制结构设计,但随着建筑物高度的增加,11高宽比的加大,尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响,但水平荷载(风荷载及地震作用)对结构产生的影响愈来愈大,将成为结构设计时的主要控制因素,起着决定性的作用。建筑物自重和楼屋面使用荷载在竖
3、向构件中所引起的轴力和弯矩数值,仅与楼房高度一次方成正比,对某一定的高度的楼房,竖向荷载大体上是定值,而水平荷载的数值是随着结构的动力特性不同而有较大幅度的变化,并且对结构产生的倾覆力矩以及在竖向构件中所引起的轴力是与建筑物高度的二次方成比例,结构内力明显加大,结构侧向位移增加更快,图（1）是结构内力(N、M)、位移（）与建筑物高度(H)的关系。弯矩和位移都成指数曲线上升。所以对于高层建筑,结构除了承受重力荷载外,还要负担较大的水平荷载。而且随着建筑物高度的增加,水平作用愈益成为结构设计中的控制因素,并将成为确定结构体系的关键性因素。在水平作用中,地震作
4、用是动力作用,而风力作用则包含静力作用(风压)和动力作用(风振)。高层建筑对风的动力作用比较敏感,风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区,高层建筑结构往往受地震作用控制,所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑结构分析的重要内容。总之,对于高层建筑结构,作用的动力效应显著。另外,对于超高层建筑,温度内力和温度位移以及建筑物的整体稳定,11抗倾覆能力等问题,也将变得突出,在结构设计时,必须予以重视。2高层建筑结构体系的优化在地震区建筑物越高,自重越大,引起的水平地震作用越大,所以在确定结构方案时,应综合考虑建筑物的高度,设防烈度、场地条件、地基基础、
5、技术经济指标等因素选择合适的结构体系。抵抗水平力是高层结构设计的主要目标,抗侧力体系便成为结构体系的重要组成部分,抗侧力能力的强弱则是衡量结构体系是否有效经济的尺度,经过精心设计所确定的抗侧力体系将使结构材料用量大幅度下降,如图2所示从图中可以看出,所选定的抗侧力体系是否经济有效,对于结构材料的用量影响很大。3提高建筑使用的舒适度一栋好的建筑,应是建筑、结构、水、暖、电各专业设计的优化整合,仅某个专业设计得好,是不可能产生一个好建筑的。结构专业也不例外,结构设计能够最大程度地满足内部平面、空间高度、建筑立面等使用功能和外形观感的要求。是一栋好的建筑物得以
6、诞生的基础,它包含结构体系的选择、传力的途径、构件的布置、构件的选用和材料的使用等。优化结构设计不是唯结构而结构11,更不能离开建筑的特色来谈结构。超高层建筑风振作用效应明显，风作用下的顶层加速度直接影响到室内人体的舒适度。4选择合理的结构方案结构设计方案的优劣决定了结构设计的成败。对于同一个建筑设计方案,结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别,所以选择合理的结构方案便显得尤为重要。在结构方案的选择上,应遵循以下的一些基本原则:1）要用整体的概念在特定的建筑空间中来完成结构总体方案的构思,处理好构件与结构、结构与结
7、构的关系,充分利用和发挥整体结构和构件的最佳受力状态,使结构具备足够的承载力、刚度和良好的延性。2）尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确。传力途径复杂会出现多次转换的结构构件,这样会导致造价的提高,也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径,可以省去中间传递的结构构件,减少结构的安全风险,使结构受力更加明确,其造价也相对经济。3）保持整个结构安全可靠度的协调一致性。应通盘考虑整体结构的每一个构件,使结构构件能够协调一致发挥其最大效能,确保达到规范规定的设计目标水准,实现结构既经济又安全的目标。4）使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建
8、筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合11,以避免或减小外力作用下结构的扭转
